低壓大口徑低溫管道熱補償方法研究

高婉麗，李玲，吳光中，劉瑞敏

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074）

為使管道在高于或低于安裝溫度的操作狀態(tài)下穩(wěn)定和安全，減少管道熱脹冷縮時所產(chǎn)生的應(yīng)力，管道應(yīng)進行熱補償設(shè)計。利用管道自身彎曲的自然補償和采用補償器的方法是管道熱補償設(shè)計的兩種常用方法。自然補償方法結(jié)構(gòu)簡單，無波紋補償器等薄弱環(huán)節(jié)，可以作為熱補償設(shè)計的首選方案，但是在地形受限無法折彎、彎頭變形量過大產(chǎn)生干涉等場合，需考慮波紋管補償。已有學(xué)者對管道熱補償方法進行了研究，如：董同武對熱力管道的補償設(shè)計及典型問題進行了分析[1]，孫運生對旋轉(zhuǎn)補償器在大容量燃煤鍋爐配套注汽管道上的應(yīng)用進行了研究[2]，王華在制氧工廠設(shè)計中的應(yīng)用管道自然補償方案[3]，段和國對直埋供熱管道熱補償方式進行了介紹[4]；還有學(xué)者對補償失效進行過研究，如：武文華對蒸汽管道熱力補償失效問題進行了分析[5]，等等。這些研究工作多集中在石油、化工、熱力等領(lǐng)域，且多針對高溫管道。低溫管道應(yīng)力分析主要針對容器，如鄧芳采用有限元分析方法，對低溫貯罐管路系統(tǒng)溫差、壓力、重力以及基座沉降、管口等載荷進行了應(yīng)力分析[6]。在航天領(lǐng)域，由于液氫、液氧等低溫推進劑被廣泛使用，與之相關(guān)的低溫壓力管道設(shè)計是保障產(chǎn)品研制的重要內(nèi)容。特別是隨著運載火箭推力等級的提高，需要研制大口徑低溫壓力管道來實現(xiàn)推進劑的大流量輸送。本文對自然補償和波紋管補償兩種方法在低壓大口徑低溫管道的適用性進行研究。

1 物理模型

建立L 型管道模型，如圖1 所示，（a）為自然補償方案，（b）為波紋管補償方案，波紋管采用帶拉桿的軸向內(nèi)壓型補償器，支架間距和形式按產(chǎn)品要求。管道規(guī)格φ140 mm×4 mm，材質(zhì)06Cr19Ni10，設(shè)計壓力1.6 MPa，設(shè)計溫度77 K。在管道起點10和終點90 分別設(shè)置固定支架，在彎頭前后設(shè)置導(dǎo)向架。需要說明的是，為減小彎頭前后支架的彎曲應(yīng)力，可設(shè)置托架，但這樣做會增大彎頭變形量，影響對支架約束反力和彎頭變形量的判斷。本文為了獨立判斷支架約束反力和彎頭變形量變化規(guī)律，將彎頭前后的支架設(shè)定為導(dǎo)向架。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

2 幾個參數(shù)的比較

2.1 一次應(yīng)力

采用CAESAR II 2014 版應(yīng)力分析軟件，對兩種物理模型進行計算，一次應(yīng)力結(jié)果見表1。自然補償SUS 安裝態(tài)一次應(yīng)力最大點為彎頭前后支撐點node60 和node80，最大值30 109.0 kPa，與許用應(yīng)力比值為21.8%。波紋管補償SUS 計算結(jié)果，一次應(yīng)力最大點為彎頭node69，最大值95 282.3 kPa，與許用應(yīng)力比值為69.1%。在考慮重力和內(nèi)壓推力的安裝態(tài)下，波紋管補償方案的一次應(yīng)力大于自然補償方案，且最大一次應(yīng)力出現(xiàn)點不同。這是因為自然補償因內(nèi)壓推力通過支架吸收，一次應(yīng)力最大點出現(xiàn)在彎頭前后支架處。波紋管補償內(nèi)壓推力作用在介質(zhì)流向改變位置，彎頭處一次應(yīng)力最大。也就是說，波紋管補償方法應(yīng)著重考慮內(nèi)壓推力對管系的影響。

表1 一次應(yīng)力計算結(jié)果比較Table 1 Comparison of primary stress calculation results

2.2 二次應(yīng)力

按照二次應(yīng)力校核公式[7]。對兩種補償方案的二次應(yīng)力進行計算，結(jié)果見表2。經(jīng)計算，自然補償EXE 冷態(tài)二次應(yīng)力最大值142 888.0 kPa，與許用應(yīng)力比值43.6%。波紋管補償EXE 計算結(jié)果，二次應(yīng)力最大值227 870.5 kPa，與許用應(yīng)力比值84.5%。通過比較，波紋補償方案二次應(yīng)力值較自然補償方案增加59%，與此同時，二次應(yīng)力許用值減小18%，因此二次應(yīng)力與許用應(yīng)力比例值大幅提高，增幅為94%。這是由于波紋管補償方案一次應(yīng)力值較高，使二次應(yīng)力許用值降低，因此，應(yīng)嚴格控制波紋管補償方案的一次應(yīng)力值。

表2 二次應(yīng)力計算結(jié)果比較Table 2 Comparison of secondary stress calculation results

2.3 不同設(shè)計壓力的應(yīng)力值

為進一步研究不同設(shè)計壓力下兩種管道補償方案的應(yīng)力水平，以規(guī)格為φ140 mm×8 mm 的管道為例，分別計算了0.6 MPa、1.0 MPa、1.6 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa、6.3 MPa、10.0 MPa 設(shè) 計 壓 力 的一次應(yīng)力值，見表3。根據(jù)圖2 所示的數(shù)據(jù)分析曲線，兩種補償方案最大一次應(yīng)力值均隨設(shè)計壓力的升高而升高。波紋管補償方案一次應(yīng)力水平普遍高于自然補償方案。工作壓力較低時，兩種補償方案的一次應(yīng)力水平均較低，分別為9%和22%；設(shè)計壓力較高時，自然補償方案一次應(yīng)力仍保持在較低水平，比例為36%，而波紋管補償方案的一次應(yīng)力占許用應(yīng)力比例增加到80%。雖然仍未超標，但是管系長期在高應(yīng)力水平下工作存在不利影響，因此，設(shè)計壓力較高的管道應(yīng)首選自然補償方案。

圖2 一次應(yīng)力最大值隨設(shè)計壓力變化曲線Fig.2 Curves of maximum primary stress varying with design pressure

表3 不同設(shè)計壓力的一次應(yīng)力值Table 3 Primary stress value of different design pressure

2.4 支架約束反力

波紋管在軸向限位值內(nèi)所產(chǎn)生的軸向位移量，可補償管道收縮量，使管道在X方向產(chǎn)生較自然補償方案更小的位移量，降低彎頭前后支架垂直于流向的彎曲應(yīng)力，從而使操作態(tài)的支架約束反力小于自然補償方案。根據(jù)表4 計算結(jié)果，波紋管補償方案的彎頭前后支架約束反力較自然補償方案減小，管道口徑越大，約束反力的降低值越大。加之大口徑管道支架約束反力本身較高，因此，波紋管補償方案可降低彎管前后支架的受力，對于大口徑管道的作用更為明 顯。

表4 支架約束反力計算結(jié)果Table 4 Calculation results of support restraint reaction

2.5 彎頭變形量

圖3（a）和（b）分別為自然補償方案和波紋管補償方案的彎頭變形圖。波紋管補償方案彎頭變形量小于自然補償方案的彎頭變形量，這是由于波紋管吸收了X方向位移，使彎頭dx位移量減小，從而減小總位移量。表5 為彎頭節(jié)點位移量計算結(jié)果，兩種補償方式彎頭位移量均隨口徑的增大而減小，通過比較，減小幅度隨管道口徑增大而增大?？梢?，波紋管補償方案對大口徑管道減小彎頭變形量的作用更為明顯。

圖3 彎頭變形圖Fig.3 Elbow deformation diagram

表5 管道彎頭變形量計算結(jié)果Table 5 Calculation results of pipe elbow deformation

3 波紋管補償方案需注意的幾個問題

3.1 波紋管內(nèi)壓推力的產(chǎn)生與克服

波紋管補償方案的主要問題是內(nèi)壓推力使彎頭產(chǎn)生較大的一次應(yīng)力值，對此可通過減小剛性約束的軸向間隙值可減小內(nèi)壓推力。但是，間隙值減小到一定程度，波紋管吸收軸向位移，減小彎頭變形量和支反力的作用將削弱或消失。表6 為不同gap值計算模型的一次應(yīng)力最大值、彎頭變形量、支架約束反力的計算結(jié)果。通過分析，gap值越大，波紋管補償效果越明顯，但是gap值過大，會出現(xiàn)一次應(yīng)力超標管道失穩(wěn)現(xiàn)象；gap值越小，波紋管趨于剛性元件的特征越強，可降低一次應(yīng)力水平。如表6 所示，gap值為5 mm 時，一次應(yīng)力最大值出現(xiàn)點由彎頭轉(zhuǎn)變?yōu)橹Ъ芗s束點，補償效果幾乎等同于自然補償。因此，對于波紋管補償方案，根據(jù)所研究管段總長計算出需要的軸向位移補償量，并將補償器初始狀態(tài)間隙值設(shè)定在合理范圍尤為重要。

表6 軸向間隙值對波紋管的影響Table 6 Influence of axial clearance on bellows

3.2 波紋管補償方案在長距離管道中的應(yīng)用

以某L 型管道為例，長臂22.5 m，短臂10 m，彎頭前后支架為真實狀態(tài)的托架形式，跨距7.5 m。兩種補償方案一次應(yīng)力和二次應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置一致，應(yīng)力水平相當。采用波紋管補償，彎頭變形量45 mm，較自然補償方案減小42%，距離彎頭最近的導(dǎo)向架在流向改變方向的約束反力為588 N，較自然補償方案減小67%。長距離管道采用波紋管補償方案能顯著減小彎頭變形量和支架約束反力，且應(yīng)力偏大問題可控，因此，長距離低溫管道在壓力允許條件下可選擇波紋管補償方案。

表7 軸向間隙值對波紋管的影響Table 7 Influence of axial clearance on bellows

4 結(jié)論

（1）自然補償方法結(jié)構(gòu)簡單，無波紋管薄弱環(huán)節(jié)，一次應(yīng)力和二次應(yīng)力水平低，通常作為管道熱補償設(shè)計的首選方案。

（2）波紋管補償方案應(yīng)重點考慮內(nèi)壓推力影響，在彎頭等介質(zhì)流量改變處會出現(xiàn)較大一次應(yīng)力，并造成二次應(yīng)力許用值降低，從而容易出現(xiàn)二次應(yīng)力校核不通過問題，因此，設(shè)計壓力較高的管道不宜選用波紋管補償方案。

（3）波紋管補償方案可降低彎頭變形量和支架約束反力，這一優(yōu)勢在同一設(shè)計壓力下，隨管道口徑增大和管道長度增加更為明顯，因此大口徑長距離低溫管道可選用波紋管補償方案。

（4）軸向約束間隙越小，波紋管越趨近于剛性元件而削弱補償性能，間隙值的設(shè)定應(yīng)在補償器允許范圍內(nèi)，并需嚴格按照所補償管段的收縮量確定。